熒光示蹤劑法在壩體滲漏勘查中的應用

魏利剛

(四川省水利水電勘察設計研究院，四川 成都 610071)

1 概述

壩體滲漏是影響大壩安全的主要因素之一，嚴重的壩體滲漏不僅會破壞水庫大壩的蓄水功能，且會危害人民的生命財產安全與社會穩定，因此必須及時有效地對壩體滲漏問題進行勘查分析，為壩體的滲漏處理與除險加固工作提供基礎與保障[1]。傳統的壩體滲漏勘查方法主要包括測壓水位法、壩體變形監測法、水體特征分析法等[2]，這些方法普遍存在精確度或勘查效率較低的問題。較為先進的壩體滲漏勘查法包括綜合物探法[3]、地面核磁共振地下水探測技術法[4]、高密度電法[5]和探地雷達法[6]等，這些方法可大幅提升滲漏勘查的精確度與勘查效率，但依舊存在技術復雜、成本過高等問題，因此有必要對新的勘查方法進行探索[7]。熒光示蹤劑方法可為壩體滲漏勘查提供一條新的途徑，該方法目前主要應用于多孔與巖溶含水層地下水的研究中，主要是在特定的位置投入一定濃度的示蹤劑，對觀測點進行監控，從而對介質的特性進行判斷。熒光示蹤劑法在水文地質和醫學等領域的研究中得到了廣泛的應用與檢驗[8]，但在壩體滲漏中的應用卻鮮有報道。鑒于此，本文設計并進行了27組基于熒光示蹤劑方法的壩體滲漏試驗，建立了壩體滲透系數與壩體下游熒光示蹤劑濃度指數之間的量化關系。在具體的應用中，可以根據較易獲取的熒光示蹤劑監測濃度與本文所得的回歸方程反向推算壩體的滲透特性，該方法可大幅改善壩體滲漏勘查工作的效率與成本，具有較好的可操作性與實用性。

2 試驗方法

2.1 試驗思路

分別選取9組不同的土體樣本，首先利用常水頭滲透儀測定各土樣的滲透系數，再分別采用各土樣構筑壩體模型。對每個模型進行3組基于熒光示蹤劑法的壩體滲漏試驗，每組分別采用一種特定的熒光示蹤劑。在壩體上游特定的投放點投放一定濃度的熒光示蹤劑，并應用熒光計對下游排水棱體處的熒光示蹤劑濃度進行監測，得到熒光示蹤劑的濃度指數。最后，對各組試驗的滲透系數數據與熒光劑濃度指數數據進行擬合分析，得到壩體滲透系數與熒光示蹤劑濃度指數之間的回歸關系式。

2.2 試驗模型

根據大壩的常見構造形式，設置簡化的物理試驗模型，如圖1所示。大壩模型中的壩頂寬度為0.5m，壩底寬度為2.42m，壩高為0.8m，壩長為3m。在該模型中，采用不同的土體樣本材料構筑壩體，在壩體上游坡面設置混凝土防滲墻，在防滲墻下部約1/3處鉆孔投放示蹤劑，在壩體下游設置排水棱體并裝置熒光計監測示蹤劑的濃度。試驗模型放置于寬3m(與壩長相等)、長7.2m的水槽中，上游水位設置為0.5m，下游水位設置為0.3m。

圖1 壩體滲漏試驗模型布置形式

2.3 試驗材料

選取不同的土體樣本作為壩體模型的基本材料，為保證各土樣具有不同的巖性，在選取時先采用篩析法測定樣品的粒度組分，最終選取土壤特性差異較為明顯的土體樣本共9份。采用基姆式70型滲透儀測定各土樣的滲透系數，之后分別采用各土樣構筑壩體模型。

試驗使用3種不同的熒光示蹤劑，分別為Uranine，Sulforhodamin B和Tinopal CBS-X。Uranine也稱Fluorescein，在生物醫學和醫療護理等領域有著廣泛的應用。濃縮的Uranine溶液呈深紅色且不發熒光，但被水稀釋后則可以呈現亮綠色，并可以發出熒光，其肉眼觀測臨界濃度為100ppb，儀器觀測臨界濃度為0.02ppb。Sulforhodamin B即為國內常見的羅丹明B示蹤劑，主要呈粉紅色，其肉眼觀測臨界濃度為100ppb，儀器觀測臨界濃度為0.2ppb。Tinopal CBS-X主要用作熒光增白劑或光亮劑，主要呈透明色，其肉眼觀測臨界濃度為100ppb，儀器觀測臨界濃度為0.2ppb。在壩體下游排水棱體處裝置GGUN FL30熒光計，檢測示蹤劑濃度，該儀器主要監測以下參數：①溫度(精度為0.01℃)；②渾濁度(精度為0.1NTU)；③電導率(精度為0.5mS/cm)；④Uranine濃度(精度為0.02ppb)；⑤Sulforhodamin B和Tinopal CBS-X的濃度(精度為0.2ppb)。

3 試驗結果與分析

3.1 土體樣本滲透系數

采用篩析法測定土體樣品的粒度組分，選取基姆式70型滲透儀測定各土樣的滲透系數，得到各壩體土樣的粒徑分布與滲透系數，結果見表1。

由表1可知，各土樣的粒度組分具有較為明顯的差異，因此選取這些樣本來設置不同的壩體材料工況試驗可以減少試驗結果的偶然性，得到具有較強普遍適用性的結論。根據滲透系數測定結果可知，所選土樣的滲透系數介于(0.88～5.00)×10-8m/s

表1 壩體土樣的粒徑分布與滲透系數

之間，覆蓋范圍相對較廣，且各組差異比較明顯。由于擬合分析一般需要較廣的數據范圍與較多的數據組，因此該試驗設置有利于后續的擬合分析。

3.2 熒光示蹤劑濃度指數

在壩體上游特定的投放點(防滲墻下部約1/3處)投放熒光示蹤劑，各示蹤劑溶液的初始濃度C0為10g/L。采用GGUN FL30熒光計對下游排水棱體處的熒光示蹤劑的濃度進行監測并自動記錄數據。對數據進行分析，選取自出現有效讀數后30分鐘內的最大濃度Cmax值，并計算熒光示蹤劑的濃度指數C：

(1)

該指數一般介于0～1之間，無量綱，數值越大表明壩體滲漏情況越嚴重。各組壩體滲漏試驗的熒光示蹤劑濃度指數結果見表2。

表2 壩體滲漏試驗的熒光示蹤劑濃度指數

由表2可知，在相同的試驗條件與壩體材料工況下，不同的熒光示蹤劑濃度指數較為接近，但不完全相同，主要是因為各熒光示蹤劑本身具有不同的遷移擴散特性，因此需要對不同的熒光示蹤劑分別進行分析。分析比較表1中的滲透系數值與表2中的濃度指數可以發現，當某土樣的滲透系數較大時，其對應試驗的濃度指數也較大，說明兩個變量之間呈現出明顯的正相關關系，因此可建立壩體滲透系數與熒光示蹤劑濃度指數之間的回歸方程。

3.3 滲透系數與濃度指數的擬合分析

對各土樣的滲透系數與熒光示蹤劑濃度指數進行匯總，對數據組按濃度指數由小到大排序，以熒光示蹤劑濃度指數為橫坐標、滲透系數為縱坐標繪制散點圖，如圖2所示。

圖2 熒光示蹤劑濃度指數與滲透系數的擬合分析

由圖2可知，熒光示蹤劑濃度指數明顯隨壩體滲透系數的增大而增大，因此采取簡單的擬合分析即可得到兩者之間的回歸方程。在實際的壩體滲漏勘查中，可根據下游示蹤劑的濃度指數來反向評估壩體的滲透特性，因此在擬合分析中選取熒光示蹤劑濃度指數為自變量、壩體滲透系數為因變量。采用MATLAB軟件的回歸分析與曲線擬合命令[9]嘗試線性、多項式型、對數型、指數型等不同的擬合型式，其中指數型曲線與試驗數據的擬合程度最高，所得的回歸方程式分別為：

(2)

式中，R2—回歸方程與數據擬合程度的指標，等于回歸平方和在總平方和中所占的比例，該值介于0～1之間，數值越大表明擬合效果越好。

根據圖2和式(2)可知，各散點較為接近擬合線，且各擬合方程的R2均較大，因此可以認為擬合效果較好、回歸方程的可信度較高。

以上回歸方程具有較高的應用價值，在實際的壩體滲漏勘查中，可以采用本文所提方法，在上游壩面投放點投入一定濃度的熒光示蹤劑，并在下游排水棱體處對溶液濃度進行監測，計算出濃度指數C，最后采用以上擬合線方程估算出壩體的實際滲透系數，而所得的滲透系數即可代表壩體的整體滲漏狀況。本文所提方法中，熒光示蹤劑的投放與監測等環節均具有操作簡單、成本低廉等優勢，因此基于熒光示蹤劑方法的壩體滲漏勘查方法可以高效、經濟地為壩體滲漏的防治提供依據。

4 結語

本文基于熒光示蹤劑法進行了壩體滲漏試驗，結果表明應用熒光光示蹤劑方法進行壩體滲漏勘查具有較好的可行性與實用性。本文所提的壩體滲漏勘查技術與相應的回歸方程可以為壩體滲漏的勘查分析工作提供新的途徑，具有較好的推廣價值。但是，物理模型試驗普遍存在比例尺效應問題，因此有必要進一步在實際的大壩滲漏勘查工作中對其進行檢驗與改進。